DE102009008290A1 - Coating a surface of substrate using reactive sputtering process in processing chamber, comprises supplying inert gas and reactive gas into the chamber, and operating double magnetron arranged opposite to substrate with alternating current - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines Substrats mit Hilfe eines reaktiven Sputterprozesses nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 2.The The invention relates to a method for coating a surface of a substrate by means of a reactive sputtering process The preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a Apparatus for carrying out this method after Preamble of claim 2.
Das Beschichten von Oberflächen mit Hilfe von Sputterprozessen ist bekannt. Dabei werden unter Verwendung eines Inertgases, insbesondere Argon, aus einem Target Partikel herausgeschlagen und auf eine Substratoberfläche gebracht, wo sie kondensieren und eine Schicht bilden. Als Ionenquelle dient entweder eine Gleichstrom-Gasentladung (DC-Sputtern) oder ein Wechselfeld (AC-Sputtern).The Coating of surfaces by means of sputtering processes is known. In this case, using an inert gas, in particular Argon, particles ejected from a target and onto a substrate surface where they condense and form a layer. As an ion source serves either a DC gas discharge (DC sputtering) or an alternating field (AC sputtering).
Wenn zusätzlich zu dem elektrischen Feld am Ort des Targets auch ein Magnetfeld angelegt wird, spricht man von Magnetronsputtern. Bei gleichem Prozessdruck kann eine Erhöhung der Sputterrate und somit eine Erhöhung der Beschichtungsrate erreicht werden.If in addition to the electric field at the location of the target also a magnetic field is applied, one speaks of magnetron sputtering. At the same process pressure can increase the sputtering rate and thus achieved an increase in the coating rate become.
Sollen auf dem Substrat dielektrische oder gering leitfähige Verbindungen von Metallen und Halbleitern, beispielsweise Oxide wie SiO2, Al2O3 etc., erzeugt werden, so wird ein reaktiver Sputterprozess angewandt. Beim reaktiven Sputtern wird zur Herstellung einer gewünschten chemischen Verbindung zusätzlich zu dem Inertgas ein Reaktionsgas zugeführt. Die Zusammensetzung der Beschichtung auf der Substratoberfläche kann durch eine Variation der relativen Drucke des Inert- und des Reaktivgases eingestellt werden. Das reaktive Sputtern gestattet das Beschichten mit Materialien, die sich in Form dieser Verbindungen nicht oder nur schwer zerstäuben lassen. So lässt sich beispielsweise ein aus Al2O3 bestehendes Target nur mit Hochfrequenz und auch dann nur in geringen Raten zerstäuben, während das Zerstäuben von Aluminium sowohl mit Gleich- als auch mit Wechselspannung mit hohen Raten möglich ist. Der Zerstäubungsprozess kommt allerdings in reaktiver Atmosphäre allmählich zum Erliegen, weil sich auf der Targetoberfläche elektrisch nicht leitfähiges Aluminiumoxid bildet, das den Austritt von Elektronen verhindert. Diese Oxidschicht hat weiterhin Änderungen der Prozessparameter zur Folge und erfordert eine häufige Reinigung oder einen Austausch von Teilen der Vorrichtung. Durch die Bildung von Aluminiumoxid auf der Targetoberfläche kommt es außerdem zu elektrischen Aufladungen und infolgedessen zu Überschlägen und Bogenentladungen (sogenanntes „Arcing"), die zu Instabilitäten des Zerstäubungsprozesses führen. Das Sputtern mit Gleichstrom hat zusätzlich den Nachteil, dass die Anode vor dielektrischer Beschichtung geschützt werden muss, was nur ungenügend gelingt und zu zusätzlichem Arcing führt. Arcing ist immer mit Instabilität und Partikelkontamination verbunden und muss daher so weit wie irgend möglich vermieden werden.If dielectric or low-conductivity compounds of metals and semiconductors, for example oxides such as SiO 2 , Al 2 O 3, etc., are to be produced on the substrate, then a reactive sputtering process is used. In reactive sputtering, a reaction gas is supplied in addition to the inert gas to produce a desired chemical compound. The composition of the coating on the substrate surface can be adjusted by varying the relative pressures of the inert and reactive gases. The reactive sputtering allows coating with materials that are difficult or impossible to atomize in the form of these compounds. Thus, for example, a target consisting of Al 2 O 3 can only be sputtered at high frequency and then only at low rates, while sputtering of aluminum with both direct and alternating voltage at high rates is possible. However, the sputtering process comes to a halt in a reactive atmosphere, because on the target surface electrically non-conductive aluminum oxide is formed, which prevents the escape of electrons. This oxide layer also results in changes to the process parameters and requires frequent cleaning or replacement of parts of the device. The formation of aluminum oxide on the target surface also causes electrical charges and, as a result, flashovers and arcing, leading to instabilities in the sputtering process.Soccurrent sputtering additionally has the disadvantage of protecting the anode from dielectric coating which is insufficiently successful and leads to additional arcing Arcing is always associated with instability and particle contamination and therefore needs to be avoided as much as possible.
Um
dieser Problematik zu begegnen, wird in der
Wenn
auch die in der
In
Abhängigkeit von der Menge des zugeführten Reaktivgases
und der Höhe an das Doppelmagnetron angelegten Wechselspannung
kann die Sputtervorrichtung in unterschiedlichen Betriebsmoden betrieben
werden (siehe
Im Regelfall werden Reaktivsputteranlagen daher im „Oxide Mode" mit konstanter Leistung und Flussregelung der Reaktivgaszufuhr betrieben, da dieser Bereich regelungstechnisch unkompliziert ist und das Abscheiden einer dielektrischen Schicht der gewünschten stöchiometrischen Zusammensetzung ermöglicht – allerdings mit dem Nachteil sehr geringer Aufwachsraten.in the As a rule, reactive sputtering systems are therefore used in "oxides Mode "with constant power and flow control of the reactive gas supply operated, since this area is technically straightforward and the deposition of a dielectric layer of the desired stoichiometric composition allows - albeit with the disadvantage of very low growth rates.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu realisieren, die eine Steigerung der Aufwachsrate bei gleichzeitiger einfacher und langzeitstabiler Prozessregelung zur Erzielung der gewünschten Schichteigenschaften ermöglichen und das Arcing unterbinden.task The invention is to realize a method and a device, the an increase in the rate of growth while simpler and easier long-term stable process control to achieve the desired Allow layer properties and prevent arcing.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Ansprüche 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The The object is solved by the features of claims 1 and 2. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Danach wird in dem reaktiven Sputterprozess der Reaktivgaspartialdruck in der Bearbeitungskammer in einer solchen Weise eingestellt, dass in einer Umgebung des Doppelmagnetrons ein lokal reduzierter Reaktivpartialdruck herrscht. Diese lokale Reduktion des Reaktivpartialdrucks in der Umgebung der Targetelektroden bewirkt, dass das Doppelmagnetron im metallreichen „Metal Mode" oder einem metallreichen Übergangsmodus („Transition Mode") betrieben wird. Im Vergleich zum „Oxide Mode", der herkömmlicherweise in Sputteranlagen zur Erzeugung stöchiometrischer Oxid- und Oxinitridschichten verwendet wurde (da er durch einen Reaktivgasüberschuss gekennzeichnet ist und regelungstechnisch einfach zu beherrschen ist), können im „Transition Mode" bzw. im „Metal Mode" wesentlich höhere Aufwachsraten erreicht werden. Da die Reduktion des Reaktivpartialdrucks auf eine Umgebung des Magnetrons beschränkt ist, herrscht im Bereich der Substratoberfläche der „normale" für die Herstellung der dielektrischen Beschichtung erforderliche Reaktivpartialdruck, so dass dort Verbindungen der gewünschten stöchiometrischen Zusammensetzung abgeschieden werden.After that In the reactive sputtering process, the reactive gas partial pressure becomes in the processing chamber adjusted in such a way that in a double magnetron environment, a locally reduced reactive partial pressure prevails. This local reduction of the reactive partial pressure in the Surrounding the target electrodes causes the double magnetron in metal-rich "Metal Mode" or a metal-rich transition mode ("Transition Mode"). Compared to "oxides Mode ", which is conventionally used in sputtering plants stoichiometric oxide and oxynitride layers used (as it was characterized by a reactive gas surplus is and control technology is easy to control), can in "Transition Mode" or "Metal Mode" much higher growth rates be achieved. Since the reduction of the reactive partial pressure to a Surrounded by the magnetron, prevails in the field of Substrate surface of the "normal" for the preparation of the dielectric coating required reactive partial pressure, so that there are compounds of the desired stoichiometric Composition are deposited.
Der Betrieb der Sputteranlage im „Transition Mode" ist bekanntermaßen regelungstechnisch schwierig. Überraschenderweise ermöglicht jedoch die Verwendung eines bipolar betriebenen Doppelmagnetrons, das sich in einer Umgebung lokal reduzierten Reaktivpartialdrucks befindet, ein Sputtern mit hoher Prozessstabilität, guter Schichtbildung und dem Vorteil hoher Aufwachsraten. Während im Bereich der Substratoberfläche ein relativ hoher Reaktivgaspartialdruck besteht, so dass das Reaktivgas an der Substratoberfläche mit den vom Target abgesputterten Partikeln die gewünschte stöchiometrische Schicht (insbesondere eine Oxid- oder Oxinitridschicht) bilden kann, ist in der Umgebung des Doppelmagnetrons der Reaktivgaspartialdruck stark reduziert. Da der Reaktivgaspartialdruck einen entscheidenden Einfluss auf die Sputterausbeute am Target hat (und insbesondere die Sputterausbeute mit steigendem Reaktivgaspartialdruck stark abnimmt), bewirkt die lokale Reduktion des Reaktivpartialdrucks im Bereich des Targets eine hohe Sputterausbeute. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Target somit im „Metal mode" oder in einem metallreichen Bereich des „Transition Mode" gehalten, während im Bereich der Substratoberfläche eine reaktivgasreiche Atmosphäre besteht, die für die Erzeugung der gewünschten Stöchiometrie notwendig ist.Of the Operation of the sputtering system in the "transition mode" is known technically difficult to control. Surprisingly possible however, the use of a bipolar double magnetron, the locally reduced reactive partial pressure in an environment sputtering with high process stability, good Stratification and the advantage of high growth rates. While in the region of the substrate surface, a relatively high reactive gas partial pressure so that the reactive gas on the substrate surface with the sputtered from the target particles the desired Stoichiometric layer (in particular an oxide or Oxinitride layer) is in the environment of Doppelmagnetrons the reactive gas partial pressure is greatly reduced. Since the reactive gas partial pressure a decisive influence on the sputter yield at the target has (and in particular the sputter yield with increasing reactive gas partial pressure decreases sharply), causes the local reduction of the reactive partial pressure in the region of the target a high sputter yield. In the inventive Procedure, the target is thus in the "metal mode" or in held a metal-rich area of "transition mode", while in the region of the substrate surface a reactive gas-rich Atmosphere exists for the generation of the desired stoichiometry is necessary.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch eine hohe Prozessstabilität aus. Ein Grund hierfür liegt offenbar in der Doppelfunktion des wechselstrombetriebenen Doppelmagnetrons, dessen Einzelelektroden wechselweise als Kathode und als Anode wirken. Durch die zwischen den Einzelelektroden erzeugten Felder werden Elektronen im Magnetfeld von einem Magnetron zum anderen Magnetron bis hin zum Substratbereich geführt, wodurch ein intensives Plasma bis zur Substratoberfläche hin aufgebaut wird und die Schichtbildung unterstützt. Dieser Effekt kann noch verstärkt werden, wenn zwischen den Elektroden des Doppelmagnetrons eine Trennwand vorgesehen wird.The inventive method is characterized a high process stability. One reason for this is apparently in the dual function of the AC powered Doppelmagnetrons, whose individual electrodes alternately as a cathode and act as an anode. By generated between the individual electrodes Fields become electrons in the magnetic field from one magnetron to another Magnetron led to the substrate area, thereby an intense plasma built up to the substrate surface and layering is supported. This effect can be amplified when between the electrodes the Doppelmagnetrons a partition is provided.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird in Abhängigkeit von Geometrie und Anordnung der Getterflächen eine stöchiometrische Verbindung in einem „Metal Mode" oder einem „Transition Mode" flussgeregelt, ohne Partialdruckregelung oder durch eine stabile, insbesondere relativ langsam arbeitende Partialdruckregelung mit sehr hoher Rate abgeschieden.In a development of the method, depending on the geometry and arrangement of the getter surfaces, a stoichiometric connection in a "metal mode" or a "transition mode" flow-controlled, without partial pressure control or by a stable, in particular relatively slowly operating partial pressure control at a very high rate.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des reaktiven Sputterverfahrens weist in der Umgebung des Doppelmagnetrons ein Gettermaterial auf, das den Reaktivgaspartialdrucks in der Umgebung des Doppelmagnetrons lokal reduziert. Vorteilhafterweise ist das Doppelmagnetron von einer Abschirmeinrichtung umgeben, deren dem Doppelmagnetron benachbarte Wände mit Getterflächen versehen sind. Die Anordnung und Geometrie der Getterflächen zusammen mit der Anordnung und Geometrie des Einlasses für Reaktivgas bewirken während des Sputterns einen Gradienten des Reaktivgases zwischen der Substratoberfläche und der Targetoberfläche: Einerseits herrscht im Bereich der Substratoberfläche ein relativ hoher Reaktivgaspartialdruck, so dass das Reaktivgas an der Substratoberfläche mit den vom Target abgesputterten Partikeln die gewünschte stöchiometrische Beschichtung bilden kann. Andererseits binden die Getterflächen sehr viel Reaktivgas und reduzieren damit den Reaktivgaspartialdruck im Bereich der Target-Oberfläche. Je nach Geometrie und Anordnung der Getterflächen kann dabei eine stöchiometrische Verbindung ohne Partialdruckregelung oder durch eine stabile langsam arbeitende Partialdruckregelung mit sehr hoher Rate abgeschieden werden. Zur Messung des Reaktivpartialdrucks kann eine Sonde vorgesehen sein, deren Messwerte zur Partialdruckregelung verwendet werden.A inventive device for implementation of the reactive sputtering method is in the vicinity of the double magnetron a getter material, which is the Reaktivgaspartialdrucks in the environment locally reduced by double magnetron. This is advantageous Double magnetron surrounded by a shielding, whose the Double magnetron provided adjacent walls with Getterflächen are. The arrangement and geometry of the getter surfaces together with the arrangement and geometry of the reactive gas inlet cause a gradient of the reactive gas during sputtering between the substrate surface and the target surface: On the one hand prevails in the area of the substrate surface relatively high reactive gas partial pressure, so that the reactive gas to the substrate surface with the sputtered from the target Particles the desired stoichiometric coating can form. On the other hand, the getter surfaces bind very well a lot of reactive gas and thus reduce the reactive gas partial pressure in the area of the target surface. Depending on the geometry and Arrangement of Getterflächen can be a stoichiometric Connection without partial pressure control or by a stable slow working partial pressure control deposited at a very high rate become. To measure the reactive partial pressure, a probe may be provided whose measured values are used for partial pressure control.
Vorteilhafterweise weist die Abschirmeinrichtung ein zwischen dem Doppelmagnetron und dem Substrat angeordnetes Abschirmblech mit einer Öffnung auf, deren Breite geringer ist als die Gesamtbreite des Doppelmagnetrons. Das Reaktivgas wird der Bearbeitungskammer durch einen Einlass zugeführt, der auf der dem Doppelmagnetron abgewandten Seite des Abschirmblechs angeordnet ist, so dass das Reaktivgas zwischen dem Abschirmblech der Abschirmeinrichtung und dem Substrat eingeleitet wird. Das Abschirmblech begrenzt dabei die Rate des in die Abschirmeinrichtung eindringenden Reaktivgases. Zweckmäßigerweise weist die Reaktivgaszuführung mehrere Einlässe auf, deren Durchflussraten individuell regelbar sind.advantageously, has the shielding a between the double magnetron and arranged on the substrate shielding plate with an opening whose width is less than the total width of the double magnetron. The reactive gas is supplied to the processing chamber through an inlet, on the side facing away from the double magnetron side of the shielding plate is arranged so that the reactive gas between the shield of the Shielding device and the substrate is initiated. The shielding plate limits the rate of penetrating into the shielding Reactive gas. Conveniently, the reactive gas supply multiple inlets, their flow rates individually are controllable.
Die Elektroden des Doppelmagnetrons sind vorteilhafterweise als rotierende Rohrelektroden ausgestaltet, um die Ablagerung dielektrischer Verunreinigungen so gering wie möglich zu halten. Es versteht sich, dass auch ein Doppelmagnetron mit planar ausgestalteten Elektroden von der Erfindung umfasst ist.The Electrodes of Doppelmagnetrons are advantageously as rotating Pipe electrodes designed to the deposition of dielectric impurities to be kept as low as possible. It is understood that also a double magnetron with planar electrodes of of the invention is included.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Doppelmagnetron in einem Mittelfrequenzbereich zu betreiben. Die Seitenwände der Abschirmeinrichtung sind vorteilhafterweise mit symmetrisch angeordneten Saugöffnungen versehen, um an beiden Elektroden des Doppelmagnetrons symmetrische Druckverhältnisse einzustellen. Zur Evakuierung der Bearbeitungskammer sind zweckmäßigerweise mindestens zwei Hochvakuumpumpen vorgesehen, deren Mündungen symmetrisch zu den Elektroden des Doppelmagnetrons angeordnet sind.Farther it has proved to be advantageous to double magneton in one To operate medium frequency range. The side walls of the Shielding device are advantageously arranged with symmetrical Suction openings provided to both electrodes of the double magnetron to set symmetrical pressure conditions. For evacuation the processing chamber are expediently provided at least two high-vacuum pumps whose mouths are arranged symmetrically to the electrodes of the Doppelmagnetrons.
Aufgrund des geringen Reaktivgaspartialdruck im Bereich der Targets können mehrere Doppelmagnetrons, beispielsweise in einer Inline-Anlage ohne zusätzliche Gasseparationen, wie beispielsweise Spaltschleusen nebeneinander angeordnet werden (Pumpe – Doppelmagnetron – Pumpe – Doppelmagnetron – Pumpe – etc.), was die Anlagenlänge und Kosten der Anlage erheblich reduziert.by virtue of the low reactive gas partial pressure in the region of the targets can several Doppelmagnetrons, for example, in an inline plant without additional gas separations, such as gap locks arranged side by side (pump - double magnetron - pump - double magnetron - pump - etc.), which considerably reduces the plant length and costs of the plant.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:in the The following is the invention with reference to an illustrated in the figures Embodiment explained in more detail. Showing:
In den Zeichnungen sind einander entsprechende Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Die Zeichnungen stellen ein schematisches Ausführungsbeispiel dar und geben keine spezifischen Parameter der Erfindung wieder. Weiterhin dienen die Zeichnungen lediglich zur Erläuterung einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung und sollen nicht in einer solchen Weise interpretiert werden, dass sie den Schutzbereich der Erfindung einengen.In The drawings are corresponding elements with each other Reference numeral. The drawings illustrate a schematic embodiment and do not reflect specific parameters of the invention. Furthermore, the drawings are merely illustrative an advantageous embodiment of the invention and should not be interpreted in such a way that they are the Restrict the scope of the invention.
Zur
Stromversorgung des Doppelmagnetrons
In
der Umgebung des Doppelmagnetrons
In
einem dem Doppelmagnetron
In
der Bearbeitungskammer
Weiterhin
sind in der Bearbeitungskammer Lambda-Sonden
Vorzugsweise wird der Reaktivgaspartialdruck in Abhängigkeit vom Reaktivgasfluß oder der Sputterleistung geregelt. Ferner können Mittel zur Messung der Sputterspannung vorgesehen sein. Die Regeleinrichtung kann auch zur Regelung der Sputterspannung ausgebildet sein, wobei vorzugsweise die Sputterspannung in Abhängigkeit von dem Reaktivgasfluß oder der Sputterleistung regelbar ist.Preferably is the Reaktivgaspartialdruck depending on the Reaktivgasfluß or the sputtering power regulated. Furthermore, means for measuring be provided the sputtering voltage. The control device can also be designed to control the sputtering voltage, preferably the Sputter voltage as a function of the reactive gas flow or the sputtering power is adjustable.
In
der Wandung der Bearbeitungskammer
Die
Abschirmvorrichtung
Die
Getterflächen
Als Gettermaterialien können insbesondere Mo, Zr, Ti, Ta, V sowie Legierungen dieser Metalle bzw. Legierungen mit anderen Metallen zum Einsatz kommen, wie z. B. Ti-V, Zr-V, Zr-Al, Zr-V-Fe etc. aber auch Al, Cu sowie Legierungen mit anderen Metallen und plasmagespritzte Beschichtungen, z. B. Al.When Getter materials can in particular Mo, Zr, Ti, Ta, V and alloys of these metals or alloys with other metals are used, such. As Ti-V, Zr-V, Zr-Al, Zr-V-Fe, etc. but also Al, Cu as well as alloys with other metals and plasma sprayed Coatings, z. Al.
Der entscheidende Getter ist die aufwachsende Schicht und nicht ein vorhandenes Gettermaterial. Ein vorhandenes Gettermaterial oder Getterbeschichtung kann dazu dienen eine gute Haftung der aufwachsenden Schicht z. B. durch eine rauhe Oberfläche, einen angepaßten thermischen Ausdehnungskoeffizienten oder Temperaturstabilisierung durch Kühlung zu gewährleisten.Of the crucial getter is the growing shift and not one existing getter material. An existing getter material or Getter coating can serve a good adhesion of the growing up Layer z. B. by a rough surface, an adapted thermal expansion coefficient or temperature stabilization by To ensure cooling.
Die
Getterflächen
Die
Vorrichtung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final | ||
R003 | Refusal decision now final |
Effective date: 20150120 |